プログラム可能な作動を備えたヤヌス型液晶エラストマー繊維の連続製造

筋肉のように動くスマートな糸

衣服が暖かさを保つために締まったり、毛髪のように細い糸が巻きついて物を掴んで移動させたりすることを想像してみてください。本研究はねじれ、コイル化、這う動き、さらには小型ロボットの操舵まで可能にする新しいタイプの繊維を紹介します。しかも日常の織物に組み込めるほど十分な強度を持っています。

つる植物から学ぶ

つるなどの登攀植物が巻き付いたりコイル状になるのは、茎の内側の材料が側面で均一ではないからです。片側がもう一方より硬くなることで内在する不均衡が生じ、茎が曲がってらせん状になります。研究者たちはこの発想を借りて「ヤヌス（Janus）繊維」を設計しました。断面のそれぞれの半分が異なる挙動を示すという意味です。一方は液晶エラストマーで、熱や光で内部の配向が変わり筋肉のように収縮する弾性材料です。もう一方はダイナミックなポリウレタンネットワークで、耐久性がありわずかに再配向可能で、新しい形状を固定する手段を提供します。

新しい繊維の作り方

このコンセプトをメートル単位で生産できる形にするため、チームは連続押出システムを構築しました。繊維のそれぞれの側に対応する2つの液状前駆体を、特別なノズルに押し込み、単一の二色のストランドとして結合します。ストランドが出てくるとすぐに紫外線が両側をほぼ同じ速度で固化させ始めるため、内部の境界は混ざったり途切れたりせず、きれいで平坦に保たれます。繊維はその後ローラーを通過して引き伸ばされ、液晶セグメントが長手方向に配向します。2回目の紫外線照射でこの配向が「ロック」され、後の穏やかな加熱により支持側のダイナミック結合が再編成されて全体構造が強化されます。

強く、調整可能な人工筋肉

その結果、押出速度、引き伸ばし量、各成分の流量比を調整することで特性を制御できる細身のハイブリッド繊維が得られます。試験では、これらの繊維は従来の液晶繊維よりもはるかに強く、かつ大きな変形にも耐えられることが示されました。ある温度以上で加熱すると液晶側が収縮し、支持側がこれに抵抗するため、繊維は曲がってコイル状のスプリングになり、長さを大きくかつ迅速に変化させます。支持ネットワークには高温で再配置可能な結合が含まれているため、同じ繊維片を引き伸ばし、加熱し、冷却するという制御下の処理で、緩いコイルやきついコイル、巻かれた部分と直線部分の混在など、異なる螺旋形状に“再プログラム”することが可能です。

小型ロボットと形を変える布地

これらのプログラム可能な挙動を活かして、著者らは複数の小型デバイスを実証しています。単一の繊維は巻きついて自身の何千倍もの重さの熱いワイヤを持ち上げられます。光吸収粒子で被覆した繊維の束は、赤外線でどちらの側を照らすかに応じて前進したり回転したりする小型の水上ロボットの脚として機能します。別の繊維は勾配の付いたスプリングに成形され、温冷サイクルで狭い管の中をゆっくり移動していわゆるイモムシの這い動きを模倣します。最後に、繊維は標準的な織物技術で布に織り込まれます。布地が引き伸ばされると埋め込まれた繊維が巻き上がって織り目を膨らませ、より多くの空気を閉じ込めて断熱性を高めます。軽い加熱で布は元の平らな状態に戻り、必要に応じて暖かさを低減できます。

なぜ重要か

専門外の方への要点は、研究者たちが髪の毛ほど細い二面性を持つ繊維を連続的に製造する方法を見つけ、それが強さと賢さを兼ね備えていることです。一方の面は筋肉のような動きを提供し、もう一方は耐久性と新しい形状を“記憶”する能力を与えます。これらの繊維は長尺で作製可能で通常の取り扱いに耐えるため、ソフトロボットや可動テキスタイル、熱や光に応答する適応デバイスの構成要素として活用できます。本質的には、この研究は繊維の内部に潜む“知性”によって、掴む・歩く・快適さを調整するといった日常的な材料の自己変形をより身近にする一歩です。

引用: Xu, J., Wan, H., Fang, Z. et al. Continuous fabrication of Janus liquid crystal elastomer fibers with programmable actuation. Nat Commun 17, 2254 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68992-2

キーワード: ソフトロボティクス, スマートテキスタイル, 人工筋肉繊維, 液晶エラストマー, プログラム可能な材料